Способ конверсии отвального гексафторида урана в металлический уран


 


Владельцы патента RU 2562288:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" (RU)

Изобретение относится к области экологии и направлено на предупреждение возможности загрязнения окружающей среды и отравления населения радиоактивными веществами. Способ конверсии отвального гексафторида урана в металлический уран включает взаимодействие гексафторида урана с металлическим натрием, при этом исходные компоненты подают в реактор в стехиометрическом соотношении в виде газообразного гексафторида урана и жидкого металлического натрия, распыленного через форсунки, температуру поддерживают от 1133°С до 1705°С. Изобретение обеспечивает эффективную конверсию гексафторида урана. 1 пр.

 

Изобретение относится к области экологии, оно направлено на предупреждение возможности загрязнения окружающей среды и отравления населения радиоактивными веществами. В результате разделения изотопов урана получается две фракции: обогащенная с содержанием изотопа 235U больше 0,72% масс. и отвальная, в которой содержится 0,1-0,3% масс. 235U.

Отвального гексафторида урана в России накопилось более 700 тысяч тонн, а в мире более 1,5 млн тонн.

Отвальный гексафторид урана хранится в контейнерах, преимущественно на открытых площадках. Это представляет значительную опасность для природы и населения. В результате коррозии при длительном хранении, действии природных явлений - гроза, землетрясение, а также диверсий и бомбардировок может нарушиться герметичность части контейнеров и в окружающую среду выйдет гексафторид урана - радиоактивный ядовитый газ, обладающий удушающим действием, что может привести к массовому отравлению населения

Известен способ конверсии гексафторида урана в тетрафторид урана и безводный фтороводород, и устройство для его осуществления (патент RU №2188795 от 23.11.2000). Изобретение используют для переработки обедненного гексафторида урана. Способ заключается во взаимодействии гексафторида урана с водородом во фтороводородном пламени. Процесс ведут в реакторе при давлении в нем 540-720 мм рт. ст. Мольное соотношение компонентов UF6:F22 = 1:(0,12-0,36):(1,5-3). В качестве восстановителя используют катодный газ.

Температуру стенок реактора поддерживают около 480°C. Охлаждение продуктов реакции осуществляют путем охлаждения стенок реактора. Порошок тетрафторида урана шнеком-питателем разгрузочного устройства перемещают в приемник готового продукта. Корпус разгрузочного устройства выполнен в виде вертикального овала. Фтористый водород из технологических газов конденсируют при температуре (-35)-(-40)°C и при (-70)-(-80)°C. Дополнительно извлекают HF фторидом натрия при температурах 70-80°C и 20-30°C. Десорбцию фтористого водорода ведут при температуре 350-375°C. Результат изобретения: степень превращения гексафторида урана в тетрафторид урана до 99,5%. Степень извлечения фтористого водорода до 99,6%.

Недостаток способа - конечным продуктом является порошкообразный продукт - тетрафторид урана, который при аварии загрязняет и атмосферу, и гидросферу.

Известен способ получения порошка диоксида урана из гексафторида урана (пат. RU 2381993 от 16.01.2008), включающий подачу в предварительно разогретую реакционную зону реакционной камеры гексафторида урана и водяного пара, подачу во вторую реакционную зону реакционной камеры смеси водяного пара и водорода с переводом в этой зоне уранилфторида до диоксида урана, выгрузку порошка из реакционной камеры до восстановления непрореагировавшего уранилфторида. Полученный порошок охлаждают и стабилизируют смесью воздуха и азота.

Недостатки данного способа - многостадийность операций, получение конечного продукта в виде порошка, что усложняет его хранение и дает возможность загрязнения окружающей среды.

Известен способ конверсии обедненного гексафторида урана в оксид урана (U3O8) путем высокотемпературного пирогидролиза [Proven managemen for flepleted uranium: the French reference of Cogema′s defluorination plant / P. Netter, B. Dupperret, B. Le Motais. - International Conferences "Decomissioning, decontamination and reutilization of commercial and government facilities". Knoxville, USA, September 12-16, 1999. - 11 p.].

Недостаток способа - высокая энергоемкость процесса, а также получение конечного продукта в виде порошка, что может ухудшить экологическую обстановку в случае повреждения упаковки.

Известен способ восстановления гексафторида урана (Патент RU №2204529 от 28.03.2001). Изобретение относится к способам восстановления гексафторида урана до низших фторидов и металлического урана и может быть использовано при переработке обедненного гексафторида урана. Результат способа: возможность получения продукта заданного состава и осуществление реакции восстановления гексафторида урана при более низкой температуре. Восстановление гексафторида UF6 осуществляют предварительно атомизированным водородом в химическом реакторе в смеси с буферным газом-разбавителем в режиме непрерывного самопроизвольного горения. Атомарный водород получают при смешении в потоке молекулярного водорода в избытке молекулярного фтора, поджигаемого в блоке горелок, так что избыток молекул фтора термически диссоциирует на атомы фтора. Восстановление UF6 осуществляется до металлического урана при соотношении концентраций атомарного водорода и молекул UF6 в смеси, подаваемой в реактор, 6:1 соответственно. Восстановление гексафторида UF6 осуществляют до тетрафторида урана при соотношении концентраций атомарного водорода и молекул UF6 в смеси, подаваемой в реактор, 2:1 соответственно. Результат способа: возможность получения продукта заданного состава и осуществление реакции восстановления гексафторида урана при более низкой температуре.

Недостаток способа - металлический уран получается в виде мелкодисперсного пирофорного порошка, не пригодного для хранения.

Известен способ переработки гексафторида урана в тетрафторид урана (Ф.С. Паттон, Д.М. Гуджин, В.Л. Гриффитс «Ядерное горючее на основе обогащенного урана», Атомиздат, М., 1966, стр. 42-47). Согласно этому способу, через сопло типа «труба в трубе» по его внешней части в реактор подается водород, а затем через внутреннюю часть сопла начинают подавать смесь гексафторида урана и фтора, причем фтор подается для достижения нужного температурного режима. Происходят следующие реакции:

UF6(газ)+H2(газ)→UF4(газ)+2HF(газ), ΔH329=-280 кДж/моль

F2(газ)+H2(газ)→2HF(газ), ΔH298=-268 кДж/моль

Избыток водорода 100-500%, расход фтора 20-32 г/кг UF6, 90% полученного UF4 оседает в нижнем бункере, UF4, унесенный газами, улавливают металлокерамическими фильтрами.

Недостатком данного способа является получение сыпучего порошкообразного продукта сравнительно малой плотности (ρ(UF4)=6,7 г/см3), что затрудняет условия его хранения.

Известен способ конверсии отвального гексафторида урана в металлический уран (пат. RU №2444475 от 29.07.2010 г. ), принятый за прототип. Способ предусматривает взаимодействие гексафторида урана с металлическим кальцием.

При проведении процесса газообразный гексафторид урана вводят в расплав металлического кальция путем барботажа. Для получения компактного слитка урана температуру процесса поддерживают выше температуры плавления фторида кальция.

Недостатки способа - высокая температура начала процесса - выше 842°C, это выше температуры плавления кальция, высокая стоимость металлического кальция 4000 долларов за тонну, высокая температура процесса - выше температуры плавления фторида кальция - 1418°C, дефицит металлического кальция.

Задача изобретения - превращение токсичного гексафторида урана в нелетучий компактный продукт - слиток металлического урана, не обладающий высокопроницающей гамма-активностью.

Способ конверсии отвального гексафторида урана в металлический уран включает взаимодействие гексафторида урана с металлическим натрием. Исходные компоненты подают в реактор в стехиометрическом соотношении в виде газообразного гексафторида урана и жидкого металлического натрия, распыленного через форсунки, температуру поддерживают от 1133°C до 1705°C.

Процесс проводят путем соединения в стехиометрическом соотношении в реакторе восстановления газообразного гексафторида урана с распыленным жидким металлическим натрием по реакции:

UF6+6Na=U+6NaF

Реакция необратима, так как изменение свободной энергии Гиббса составляет большую отрицательную величину -1238 кДж/моль.

В ходе реакции выделяется значительное количество тепла - ΔН°298=-1256,4 кДж/моль. Теоретическая температура процесса 2561°C. Большое значение теплового эффекта реакции указывает на то, что процесс проходит без подвода тепла извне и то, что продукты реакции будут находиться в расплавленном состоянии. Температуру процесса для получения компактного слитка урана за счет охлаждения продуктов реакции поддерживают выше температуры плавления урана 1133°C и ниже температуры кипения фторида натрия 1705°C, чтобы предупредить повышения давления в реакторе.

Преимущества предлагаемого способа:

- температура начала реакции натрийтермии (98°C) гораздо ниже, чем кальцийтермии (842°C);

- нижний температурный предел натрийтермии определяется температурой плавления урана, а кальцийтермии - температурой плавления фторида кальция (1418°C), то есть кальцийтермия более энергозатратна;

- стоимость восстановителя при натрийтермии (Na 99,7% - 3000 долл/тонну) ниже, чем при кальцийтермии (Ca 98,5% - 4000 долл/тонну), для получения 1 кг урана по стехиометрии требуется 0,58 кг натрия стоимостью 1,74 доллара, а при кальцийтермии - 0,5 кг кальция стоимостью 2 доллара, то есть больше на 0,26 доллара/кг урана;

- оборудование будет работать при более мягком температурном режиме, что снизит скорость коррозии;

- полученный фтористый натрий может быть использован как интенсивный антисептик или для получения фтороводорода, а также как сорбент.

Пример

В предварительно вакуумированный аппарат, представляющий собой цилиндрический сосуд, футерованный внутри, одновременно подают в стехиометрическом соотношении газообразный гексафторид урана и жидкий металлический натрий, распыленный через форсунки. Процесс идет с образованием жидких фаз (фторида натрия и металлического урана), что создает вакуум в реакторе, улучшающий диспергирование жидкого натрия. Небольшой избыток натрия вводится в реактор в конце процесса для обеспечения полного восстановления гексафторида урана и высокого выхода урана в слиток.

Температуру процесса поддерживают от 1133°C (температура плавления урана) до 1705°C (температура кипения NaF). В этом диапазоне температур продукты реакции находятся в жидком состоянии, что положительно сказывается на их ликвации и формировании слитка урана, упругость паров фтористого натрия составляет менее 1 атмосферы.

Жидкие продукты реакции в соответствии с их плотностями распределяются следующим образом: нижний слой - расплав металлического урана, верхний слой - расплав фторида натрия. Избыток натрия находится в парообразном состоянии в свободном объеме реактора.

После охлаждения и кристаллизации продукты реакции извлекаются из реактора и разделяются: слиток металлического урана - на хранение, шлак - на использование в качестве сорбента, антисептика, сырья для получения фтороводорода, а металлический натрий - на повторное использование.

На получение 100 г урана в слитке требуется 150 г UF6, 61 г металлического натрия, при этом получается в шлаке 106 г NaF.

Способ конверсии отвального гексафторида урана в металлический уран, включающий взаимодействие гексафторида урана с металлическим натрием, отличающийся тем, что исходные компоненты подаются в реактор в стехиометрическом соотношении в виде газообразного гексафторида урана и жидкого металлического натрия, распыленного через форсунки, температуру поддерживают от 1133°C до 1705°C.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к применению дигликольамида в кислой водной фазе, содержащей америций, кюрий и/или лантаниды, в качестве повышающего коэффициент их разделения комплексообразователя при экстракции.
Изобретение относится к способу экстракционного аффинажа урана и может быть использовано в технологии переработки регенерированного из облученного ядерного топлива урана (регенерированного урана) и химических концентратов природного урана (ХКПУ).

Изобретение может быть использовано при переработке и утилизации облученного ядерного топлива. Способ включает экстрагирование америция из азотнокислой водной фазы посредством циркуляции ее в первом экстракторе, промывание полученной органической фазы во втором экстракторе и селективную реэкстракцию америция в третьем экстракторе.

Изобретение относится к способу переработки труднообогатимых упорных урановых руд, содержащих браннерит. Способ заключается в том, что измельченную до крупности минус 0,3 мм руду обрабатывают 1-40% раствором бифторида аммония при соотношении Т:Ж=1:(1-5) и температуре 50-80°C в течение 1-4 часов.

Изобретение относится к способу, с помощью которого можно очищать уран из природного уранового концентрата. Этот способ включает экстракцию урана, присутствующего в виде нитрата уранила в водной фазе А1, полученной в результате растворения природного уранового концентрата в азотной кислоте, с помощью органической фазы, которая содержит экстрагирующее средство в органическом растворителе.

Изобретение относится к способам переработки уран-фторсодержащих растворов, полученных от растворения огарков фторирования в производстве гексафторида урана. Способ включает растворение огарков в растворе азотной кислоты, извлечение урана из фторсодержащего азотнокислого раствора путем восстановления его гидразином на платиновом катализаторе, при постоянной очистке поверхности катализатора от осадка тетрафторида урана, отделение катализатора от азотнокислого раствора и осадка тетрафторида урана, обеспечение эквимолярного отношения фторид-ионов к урану (IV) в полученном растворе и разделение осадка тетрафторида урана и азотнокислотного раствора, при этом азотнокислотный раствор повторно используют для растворения огарков фторирования, предварительно доукрепив по азотной кислоте.
Изобретение относится к области гидрометаллургии, в частности к способу извлечения урана из отработанных фосфорнокислых растворов. Способ заключается в том, что в исходный раствор предварительно вводят окислитель, который выбирают из ряда: KMnO4, K2Cr2O7, HNO3, H2O2, KClO3.

Изобретение относится к способу переработки кремнийсодержащего химического концентрата природного урана с повышенным содержанием кремния. Способ включает выщелачивание концентрата водным раствором азотной кислоты при повышенной температуре с получением пульпы, состоящей из твердой и водной фаз, отделение фильтрацией водной фазы в виде азотнокислого раствора нитрата уранила от твердой фазы, экстракционный аффинаж урана с применением трибутилфосфата в углеводородном разбавителе.
Изобретение относится к способу извлечения урана из маточных растворов. Способ включает получение смолы, модифицированной аминофосфоновыми группами, и получение маточного раствора, содержащего от 25 до 278 г/л сульфата и уран.

Изобретение относится к переработке урансодержащего сырья, а именно к способу подготовки сырья к экстракционной переработке. Способ включает выщелачивание урана азотной кислотой и отделение водной фазы от нерастворенного остатка.

Изобретение может быть использовано при получении чистых солей и окислов из гексафторида урана (ГФУ). Аппарат для гидролиза гексафторида урана содержит корпус, в верхней части которого установлены средства для подачи гексафторида урана и орошающего раствора.
Изобретение относится к технологии получения соединений урана и, в частности к очистке тетрафторида урана от соединений углерода, фосфора, азота и других примесей.

Изобретение относится к способам переработки уран-фторсодержащих растворов, полученных от растворения огарков фторирования в производстве гексафторида урана. Способ включает растворение огарков в растворе азотной кислоты, извлечение урана из фторсодержащего азотнокислого раствора путем восстановления его гидразином на платиновом катализаторе, при постоянной очистке поверхности катализатора от осадка тетрафторида урана, отделение катализатора от азотнокислого раствора и осадка тетрафторида урана, обеспечение эквимолярного отношения фторид-ионов к урану (IV) в полученном растворе и разделение осадка тетрафторида урана и азотнокислотного раствора, при этом азотнокислотный раствор повторно используют для растворения огарков фторирования, предварительно доукрепив по азотной кислоте.
Изобретение относится к области химической технологии неорганических веществ и может быть использовано при переработке обедненного гексафторида урана. .

Изобретение относится к способам получения тетрафторида урана, а именно к способам получения тетрафторида урана на переделе гидрофторирования диоксида урана, и может быть использовано в производстве гексафторида урана или металлического урана.
Изобретение относится к технологии рециклирования ядерных энергетических материалов, а именно к способам очистки гексафторида урана от фторидов рутения, и может быть использовано для возврата урана, выделенного из отработавшего ядерного топлива, в топливный цикл легководных реакторов.

Изобретение относится к ядерному топливному циклу, а именно к технологии получения разбавителя для переработки гексафторида оружейного высокообогащенного урана (ВОУ) в гексафторид низкообогащенного урана (НОУ).

Изобретение относится к технологии очистки гексафторида урана от легколетучих примесей и может быть использовано для улучшения качества и снижения себестоимости продукции газоразделительных производств.

Изобретение относится к устройствам для проведения низкотемпературного порционного гидролиза твердого гексафторида урана в водном растворе фтороводорода и может быть использовано при переработке обедненного (отвального) гексафторида урана до порошкообразного диоксодифторида урана и безводного фтороводорода.
Изобретение относится к области химической технологии неорганических веществ и может быть использовано для получения тетрафторида урана. .

Группа изобретений относится к области металлургии, а именно к способу получению порошка диоксида урана методом пирогидролиза и к установке для его осуществления. Способ включает подачу в предварительно разогретую первую реакционную зону реакционной камеры гексафторида урана и водяного пара, которые вступают в реакцию с образованием уранилфторида, подачу во вторую реакционную зону реакционной камеры смеси водяного пара и водорода для восстановления в ней полученного в первой реакционной зоне уранилфторида до диоксида урана. При этом подачу смеси водяного пара и водорода во вторую реакционную зону осуществляют через сопла, расположенные в ее конической части, в вертикальные трубы, расположенные соосно соплам, для создания в трубах восходящих прямоточных двухфазных потоков, которые преобразуются в криволинейные потоки дефлекторами в сепарационной зоне, для предварительного разделения твердой и газообразной фаз. После чего во вторую реакционную зону оседают отделенные в сепарационной зоне частицы, образуя циркулирующий слой смеси порошков уранилфторида и диоксида урана. После постепенного накопления объема смеси порошков диоксида урана и уранилфторида процесс подачи водяного пара и гексафторида урана прекращают, а вместо этого начинают подавать водород. Далее происходит процесс довосстановления уранилфторида в диоксид урана и затем выгрузка товарного порошка диоксида урана. Изобретение обеспечивает получение порошка диоксида урана с улучшенным качеством и повышение производительности. 2 н. и 2 з. п. ф - лы, 2 ил.
Наверх